加利福尼亞州內華達山脈的創紀錄積雪正在融化，再次露出令人驚歎的高山草甸。隨著氣溫升高，潮溼的土壤升溫，草地加速運轉，將碳從地下迴圈到大氣中，然後再返回，這是一種對地球健康至關重要的模式。科學家和土地管理者正前往山區，測量16個精心挑選的草地中的溫室氣體活動——其中一些是最近修復的，另一些則因一個世紀的放牧和伐木而退化。
這項為期四年的研究是加利福尼亞州減少碳排放的開創性努力的一部分。該專案旨在確定修復後的草地是否比退化的草地儲存更多的碳。結果可能對加利福尼亞州和地球至關重要。在全球範圍內，土壤儲存的碳量是植被和大氣層總和的三倍。如果研究表明修復後的草地可以改善碳儲存，那麼它可能會刺激世界各地的草地修復。
這項耗資480萬美元的專案也有一個不尋常的轉折。它由加利福尼亞州空氣資源委員會資助，該委員會想知道修復後的草地每英畝每年是否能儲存足夠噸當量的二氧化碳，從而有資格在加利福尼亞州的碳排放交易市場中獲得碳信用額度。加州鱒魚協會的塞拉山水源地主任馬克·德魯（Mark Drew）說：“這有點書呆子氣，但我們準備用高山草甸做一些從未做過的事情。” 他正在協調這項工作。
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草地是土壤碳研究的新領域。當植物利用太陽能從大氣中吸收二氧化碳並製造自己的食物時，碳會進入土壤。當植物死亡並被微生物分解時，更多的碳會進入地下。然而，活著的植物根部會排出二氧化碳，微生物在分解死亡的植物物質時也會排出二氧化碳，從而形成土壤吸收和排放碳的迴圈。根據幾項估計，農業用地在被無情耕種時，通常會損失其原始碳儲量的相當一部分，高達 50% 至 70%。科學家懷疑草地也可能會失去碳，尤其是在它們因伐木和放牧活動而退化時，這些活動會壓實土壤、侵蝕溪流並耗盡本地植物和動物。
加利福尼亞州比肖普的塞拉山脈上的晨雲。圖片來源：大衛·H·卡里爾 蓋蒂圖片社
一些科學家還認為，全球變暖本身正在改變土壤碳儲量。由荷蘭生態研究所的托馬斯·克勞瑟領導的12月發表在《自然》雜誌上的一項研究發現，氣溫上升正在刺激土壤碳淨損失到大氣中。溫暖的土壤加速了通量，將更多的碳送入地下，並將更多的二氧化碳排放回大氣中。隨著溫度升高，微生物活動增加，分解和呼吸作用超過光合作用，尤其是在世界上較冷的地方。“那時損失開始發生，”克勞瑟說。這些變化可能會推動碳-氣候反饋迴圈，從而加速氣候變化。
早在 2014 年，當空氣資源委員會宣佈為塞拉山草地的碳通量研究提供資金時，德魯就已經開始與幾個草地恢復小組合作。各種利益相關者沒有爭奪少量資金，而是決定攜手合作——博士科學家與牧場主和土地所有者並肩工作。德魯說，他們可以共同建立一個比任何一個專案都大得多的資料庫。
該小組已經知道，草地恢復通常使用重型裝置來填充辮狀河道並重建功能正常的洪泛區，具有明確記錄的生態系統效益。將溪流恢復到其自然蜿蜒狀態並提高地下水位，可以為金鱒魚、柳鶯和其他瀕危物種恢復棲息地。恢復草地還可以提高其蓄水和釋放水的能力，這對一個 60% 以上的供水依賴於塞拉地區的州來說是一個福音。在空氣委員會資助的推動下，草地合作伙伴著手研究恢復對碳儲存的作用。
這項研究涵蓋了從北部的拉森峰底部到靠近洛杉磯的地區。草地的海拔高度從 3,045 英尺到近 8,700 英尺不等；它們包括花崗岩、火山岩和變質岩土壤。合作關係的一個關鍵方面是制定精確的程式，以確定何時以及如何測量和分析草地溫室氣體。儘管科學家已經建立了監測森林和溼地中碳通量的協議，但高山草甸中不存在任何協議。“我們是小白鼠，”德魯說。
工作剛剛開始，並將持續到冬季關閉通道。資料收集從將一段八英寸的 PVC 管垂直推入地下以密封一小段草地開始，然後蓋住圓柱形腔室。一個監測器將一個注射器插入蓋子上的一個小孔中，從中抽取捕獲在內部的草地氣體樣本。透過在幾個月內重複進行三個間隔 15 分鐘的樣本採集，科學家可以將環境空氣與直接從草地中排出的氣體進行比較。氣體濃度變化的速率決定了土壤的二氧化碳排放率。研究人員還在透過提取核心樣本來監測土壤碳。將修復後的草地的資料與地理位置相似的退化地點進行比較，將顯示修復的效果。
研究人員從內華達大學雷諾分校（U.N.R.）進行的一項有限研究中獲得了一些線索。科學家們收集了在 2001 年至 2016 年間修復的北塞拉山脈七個草地的土壤樣本，並將修復後的地點與相似的相鄰未修復地點配對。初步結果發現，修復後的草地中的土壤碳平均增加了 20%，其中一個地點的記錄增幅超過 80%。與 U.N.R. 的土壤科學家和助理教授本·沙利文合作的研究助理科迪·裡德說，草地在修復後立即開始儲存碳，並在 15 年內顯著增加。調查似乎表明，修復後的草地增加了土壤碳，並減緩了向大氣的流失。
另一項有限的研究考察了草地土壤中水的影響。史蒂夫·哈特是加利福尼亞大學默塞德分校的生態學教授，亞利桑那大學的微生物生物地球化學助理教授約瑟夫·布蘭金希普研究了一個塞拉山草地，以瞭解水如何影響二氧化碳、甲烷和一氧化二氮的通量。他們的發現令他們感到驚訝：二氧化碳的排放不受土壤水分含量的影響，甲烷的封存很普遍，尤其是在潮溼草地的乾燥一側。2014 年的研究還發現，植物物種的豐富度和土壤碳濃度似乎比土壤水分在解釋碳通量方面更重要。
現在要知道這些結果是否會在更大的塞拉山範圍內複製還為時過早。經過一整年的研究，德魯和他的合作伙伴們正在深入研究新的實地考察季節。在修復後的草地中發現土壤碳的急劇增加在全球範圍內產生的影響有限，因為如此強大的力量正在發揮作用。但是，對於恢復這些景觀而言，這種收益可能是一個重要的額外回報。塞拉山草地合作伙伴關係也可以為其他在具有更大潛力影響碳方程式的截然不同的景觀中工作的人提供榜樣，哈特說。如果修復後的草地確實可以儲存更多的碳，那麼它們可以在加利福尼亞州的碳市場中發揮作用。塞拉合作伙伴將在 2019 年之前提交他們的結果。“我們準備做一些真正獨特的事情，”德魯說。“讓我們看看它會把我們帶到哪裡。”